Дуговая сварка — это название класса сварочных процессов, в которых металлы плавятся и сплавляются вместе с использованием электрической дуги в качестве источника тепла. Этот метод может требовать или не требовать давления или присадочного металла для создания соединения между металлами.
Электрическая дуга — это разряд электрического тока через разрыв в цепи, поддерживаемый термически ионизированным столбом газа, известным как плазма. Для зажигания дуги электрод ненадолго прикасается к заготовке, а затем быстро отодвигается на небольшое расстояние, создавая дугу. Эта дуга создает температуру выше 5500°C (10,000 XNUMX°F), которая достаточно горячая, чтобы расплавить любой металл. Расплавленный металл, состоящий из основного металла и, если применимо, присадочного металла, собирается вокруг кончика электрода. Присадочный металл вводится на протяжении всего процесса дуговой сварки для увеличения объема и прочности сварного соединения. Расплавленная сварочная ванна затвердевает и образует прочное соединение по мере движения электрода вдоль соединения.
Сварщики могут выполнять это вручную или механически, используя роботизированные, автоматические или машинные сварочные машины, чтобы перемещать электрод относительно заготовки. Ручная дуговая сварка сложна тем, что способности и усердие сварщика играют важную роль в качестве сварного соединения. Время дуги, иногда называемое временем горения дуги, является распространенным способом оценки производительности дуговой сварки, поскольку оно представляет собой процент рабочего времени, которое отводится на дуговую сварку.
Время дуги можно рассчитать по следующей формуле:
Время дуги = (время горения дуги) / (отработанные часы)
Поскольку ручная сварка требует точной координации рук и глаз, время дуги обычно составляет 20% или меньше, поскольку сварщикам приходится делать регулярные перерывы, чтобы предотвратить усталость. Напротив, в зависимости от конкретной операции время дуги может увеличиться примерно до 50% для машинной, роботизированной и автоматической сварки, что повышает стабильность и производительность сварки.
Общая технология дуговой сварки
Прежде чем переходить к конкретным процессам AW, важно изучить некоторые общие технические проблемы, связанные с этими процессами.
Электроды
Электроды в дуговой сварке подразделяются на две основные категории: расходуемые и нерасходуемые. Расходуемые электроды обеспечивают присадочный металл, необходимый для сварки. Они доступны в виде стержней (также называемых палками) и проволоки. Как правило, сварочные стержни имеют диаметр не более 9.5 мм (3/8 дюйма) и длину от 225 до 450 мм (от 9 до 18 дюймов). Периодическая замена стержней, которая сокращает время дуги сварщика, является недостатком их использования в производственной сварке. Однако могут быть минимальные сбои при использовании расходуемой сварочной проволоки, которая может непрерывно подаваться в сварочную ванну с катушек. Когда дуга потребляет проволоку и стержни, в сварное соединение добавляется больше материала.
Неплавящиеся электроды не плавятся; они в основном состоят из вольфрама (и очень редко из углерода). Даже если эти электроды считаются неплавящимися, они в конечном итоге испаряются, как это делает режущий инструмент. Любой необходимый присадочный металл должен быть предоставлен отдельно при использовании неплавящих электродов; обычно это делается путем подачи проволоки в сварочную ванну.
Дуговая защита
При соединении металлов при высоких температурах кислород, азот и водород в воздухе могут вступать в химическую реакцию с металлами. Эти реакции могут привести к значительному ухудшению механических качеств сварного соединения. Из-за этого почти все методы AW включают способ скрыть дугу от окружающего воздуха. Защита дуги достигается путем покрытия расплавленной сварочной ванны, наконечника электрода и дуги слоем газа, флюса или того и другого, чтобы предотвратить воздействие воздуха на металл шва. Гелий и аргон — два инертных газа, которые часто используются в качестве экранов.
При использовании специальных методов сварки черных металлов углекислый газ и кислород обычно используются в сочетании с аргоном и/или гелием для создания окислительной среды и регулирования формы сварного шва. Вещество, называемое флюсом, используется для растворения нежелательных примесей и оксидов и предотвращения их образования, что облегчает удаление. Флюс покрывает процесс сварки и защищает расплавленный металл сварного шва, когда он плавится и превращается в жидкий шлак. После остывания шлак затвердевает, и его нужно соскабливать с помощью щетки или щетки. Обычно флюс предназначен для достижения еще трех целей: (1) создать защиту для процесса сварки; (2) поддерживать дугу; и (3) уменьшить разбрызгивание.
Для каждого процесса используется свой механизм нанесения флюса. Существует три различных способа нанесения флюса: (1) заливка гранулированного флюса непосредственно на место сварки; (2) покрытие операции электродом, покрытым флюсом, который плавится в процессе сварки; и (3) использование трубчатых электродов, сердечник которых содержит флюс и высвобождает его по мере изнашивания электрода. Мы более подробно рассмотрим эти методы в наших объяснениях различных процедур AW.
Источник питания при дуговой сварке
Дуговая сварка использует как переменный ток (AC), так и постоянный ток (DC). Машины переменного тока часто ограничиваются сваркой черных металлов; однако их покупка и эксплуатация обходятся дешевле. Оборудование постоянного тока, как правило, известно превосходным контролем дуги и может быть использовано с хорошими результатами для обработки всех металлов.
Процессы дуговой сварки плавящимися электродами
Дуговая сварка защищенного металла (SMAW)
В процедуре дуговой сварки, известной как дуговая сварка в защитной среде (SMAW), используется плавящийся электрод, изготовленный из стержня присадочного металла, покрытого химическими веществами, который действует как защита и флюс. Обычно сварочный стержень имеет размеры от 2.5 до 9.5 мм в диаметре и от 225 до 450 мм в длину. Поскольку состав присадочного металла, используемого в стержне, обычно очень похож на состав основного металла, он должен быть совместим с свариваемым металлом. Покрытие состоит из порошкообразной целлюлозы (древесной и хлопковой пудры), оксидов, карбонатов и других материалов в сочетании с силикатным связующим, удерживающим все вместе. Иногда в покрытие добавляют легирующие компоненты и дополнительный присадочный металл путем добавления металлических порошков.
Покрытие расплавляется под действием тепла процесса сварки, образуя шлак и защитную среду для процесса сварки. Это также помогает контролировать скорость плавления электрода и стабилизировать дугу. Когда сварочный стержень используется, его оголенный металлический конец, противоположный сварочному наконечнику, закрепляется в электрододержателе, подключенном к источнику питания. Изолированная ручка на держателе позволяет сварщику захватывать его и управлять им. SMAW обычно работают при напряжении от 15 до 45 В и токе от 30 до 300 А. На выбор параметров мощности влияют свариваемые металлы, вид и длина электрода, а также необходимая глубина провара.
Для сварки защитной металлической дугой обычно используется ручной труд. Трубопроводы, машиностроение, судостроение, изготовление в цехах и ремонтные работы являются примерами распространенных применений. Для более толстых деталей (более 5 мм/3/16 дюйма) повышенная удельная мощность делает этот метод более предпочтительным по сравнению с газокислородной сваркой. Будучи наиболее экономичным и портативным из всех методов AW, SMAW невероятно адаптируем.
Одним из недостатков использования стержней плавящимся электродом при дуговой сварке защитным металлом в качестве производственного процесса является следующее. Палочки необходимо регулярно заменять по мере их износа. Благодаря этой процедуре сварки время дуги сокращается. Еще одним ограничением является уровень, который можно использовать в данный момент. Уровни тока должны поддерживаться в безопасном диапазоне при включении новой сварочной палочки, поскольку длина электрода колеблется в процессе работы, и эта длина влияет на резистивный нагрев электрода. Если это произойдет, покрытие перегреется и преждевременно расплавится. Благодаря использованию проволочного электрода с постоянной подачей некоторые альтернативные методы AW выходят за рамки ограничений длины сварочного стержня SMAW.
Газовая дуговая сварка металла (GMAW)
Газовая дуговая сварка (GMAW) — это широко используемый процесс сварки, при котором плавящийся проволочный электрод без покрытия непрерывно подается через сварочный пистолет. Газ подается в дугу, чтобы создать защиту и сохранить чистоту сварного шва. Автоматическая подача неизолированной проволоки с катушки обеспечивает непрерывную работу и экономное использование материала. Выбор диаметра проволоки для GMAW обычно зависит от требуемой скорости наплавки и толщины свариваемого материала и может находиться в диапазоне от 0.8 до 6.5 мм (от 1/32 до 1/4 дюйма).
Экранирование может быть достигнуто с использованием различных газов, включая активные газы, такие как углекислый газ, и инертные газы, такие как аргон и гелий. Свариваемый металл, помимо прочего, определяет, какой из этих газов следует использовать. В то время как углекислый газ часто используется для сварки низко- и среднеуглеродистых сталей, инертные газы предпочтительнее для сварки алюминиевых сплавов и нержавеющих сталей. GMAW — лучший метод для выполнения многочисленных проходов сварки одного соединения, поскольку при нем используются защитные газы, что устраняет необходимость ручной очистки и шлифовки шлака.
В конце 1940-х годов аргон был впервые использован для сварки алюминия методом GMAW, который ранее был известен как сварка MIG (металл в инертном газе). Фраза «сварка CO2» возникла, когда CO2 использовался как более экономичный защитный газ для стали. Газовые комбинации, включая CO2 и аргон, и даже кислород и аргон, использовались при сварке стали, поскольку методы сварки со временем совершенствовались.
Для ряда черных и цветных металлов эта технология сварки является предпочтительной в производственных процессах. GMAW имеет ряд преимуществ по сравнению с дуговой сваркой металлическими электродами (SMAW). Она сокращает время простоя и увеличивает время дуги при ручном выполнении с использованием непрерывной проволоки вместо сварочных стержней. Более того, непрерывная подача проволоки GMAW повышает ее пригодность для автоматизированных сварочных процедур. Кроме того, меньше отходов присадочного металла, поскольку не остается остатков электродов, в отличие от сварки стержнем. Это приводит к более высокому использованию материала.
GMAW уникален тем, что этот процесс исключает необходимость использования флюса, поэтому исключается удаление шлака. Помимо того, что он более адаптируем, чем SMAW, он также может похвастаться более высокой скоростью осаждения. Благодаря этим качествам, которые обеспечивают эффективность, доступность и универсальность для широкого спектра сварочных работ, он является предпочтительным вариантом для многочисленных промышленных применений.
Дуговая сварка порошковой проволокой (FCAW)
В начале 1950-х годов была разработана дуговая сварка с флюсовым сердечником (FCAW) как решение недостатков стержневых электродов при дуговой сварке металлическим электродом в защитной среде. FCAW использует заполненную флюсом трубку, непрерывный расходуемый электрод и другие материалы, включая легирующие элементы и раскислители. Эта гибкая трубчатая «проволока» поставляется в бухтах и предназначена для непрерывной подачи через сварочный пистолет.
FCAW бывает двух основных типов: самозащитный и газовый. Вариант с самозащитой не зависит от внешних защитных газов, поскольку он производит газы для защиты дуги за счет потока внутри сердечника. Подобно газовой дуговой сварке (GMAW), газозащитная форма была разработана для сварки стали и использует газы, подаваемые снаружи. Этот тип эффективно сочетает в себе части SMAW и GMAW за счет использования диоксида углерода для мягких сталей или комбинации аргона и диоксида углерода для нержавеющих сталей.
Подобно GMAW, FCAW имеет такие преимущества, как непрерывная подача электродов, что повышает производительность. Он обеспечивает превосходные, гладкие и стабильные сварные швы при сварке стали и нержавеющей стали различной толщины. Этот метод пользуется успехом во многих промышленных применениях из-за его эффективности и универсальности.
Как показано на рисунке ниже, FCAW может различать два типа процессов, используя дополнительные защитные газы.
Электрогазовая сварка (ЭГС)
В процедуре AW, известной как электрогазовая сварка (ЭГС), используются формовочные башмаки для удержания расплавленного металла на месте вместе с непрерывным плавящимся электродом (либо порошковой проволокой, либо неизолированной проволокой с внешней подачей защитного газа). Вертикальная стыковая сварка является основным применением этой технологии. Эту процедуру можно рассматривать как специфическое применение самозащитной FCAW, когда используется порошковая электродная проволока, поскольку внешние газы не подаются. Уникальный случай GMAW возникает, когда оголенная электродная проволока используется в сочетании с защитными газами из внешнего источника. Чтобы избежать попадания в сварочную ванну, формовочные башмаки охлаждаются водой. В сочетании с краями свариваемых деталей башмаки создают полость, подобную форме, которая постепенно заполняется расплавленным металлом из электродной и базовой частей. Подвижная сварочная головка, перемещающаяся вертикально вверх, автоматически завершает процедуру за один проход, заполняя полость.
Основными отраслями, в которых применяется электрогазовая сварка, являются судостроение и строительство крупных резервуаров для хранения. В этих отраслях используются стали (низко- и среднеуглеродистые, низколегированные и некоторые нержавеющие стали). EGW может работать с заготовками толщиной от 12 до 75 мм. Помимо стыковой сварки, его также можно использовать для угловых и канавочных сварных швов, всегда в вертикальном положении. Иногда возникает необходимость изготовить специально разработанные формовочные башмаки для соответствующих форм соединений.
Дуговая сварка под флюсом (SAW)
Дуговая сварка под флюсом (SAW) — это процесс дуговой сварки, в котором используется непрерывный плавящийся неизолированный электрод с дуговой защитой, обеспечиваемой слоем гранулированного флюса. Автоматизированная катушка подает электродную проволоку в дугу. Как показано на рисунке ниже, флюс подается в соединение под действием силы тяжести из бункера непосредственно перед сварочной дугой. Процесс сварки полностью погружается в слой гранулированного флюса, что исключает излучение, искры и брызги, которые так опасны при других методах сварки. В результате оператору сварки SAW не нужно носить довольно громоздкую защитную маску, необходимую для других операций (конечно, защитные очки и защитные перчатки).
Стеклоподобный шлак образуется на поверхности сварного соединения, когда флюс рядом с дугой плавится и смешивается с расплавленным металлом для устранения примесей. Превосходное сварное соединение с замечательной прочностью и пластичностью достигается за счет шлака и нерасплавленных зерен флюса сверху, которые также служат хорошей теплоизоляцией и атмосферной защитой области сварного шва. Благодаря такой превосходной защите зона сварки постепенно остывает. Нерасплавившиеся остатки сварки можно извлечь и использовать повторно, как показано на рисунке. Обычно твердый шлак, покрывающий сварной шов, необходимо удалить вручную.
Сварка под флюсом часто используется при изготовлении профилей из конструкционной стали, сварке деталей для тяжелого машиностроения, а также продольных и кольцевых швов для трубопроводов большого диаметра, резервуаров и сосудов высокого давления. Стальные пластины толщиной 25 мм (1.0 дюйм) или более часто свариваются в таких типах применений. Высокоуглеродистые стали, инструментальные стали и большинство цветных металлов нелегко сваривать с помощью SAW; только низкоуглеродистые, низколегированные и нержавеющие стали можно. Детали всегда должны быть ориентированы горизонтально из-за гравитационной подачи гранулированного флюса, и часто требуется подкладная пластина под соединением во время сварки.
Процессы дуговой сварки неплавящимися электродами
Газовая вольфрамовая дуговая сварка (GTAW/TIG)
Газовая вольфрамовая дуговая сварка (GTAW) — это метод дуговой сварки, который сочетает в себе неплавящийся вольфрамовый электрод и инертный газ для защиты дуги. Иногда его называют сваркой вольфрамовым инертным газом (TIG) или сваркой WIG в Европе (где «W» означает Wolfram, химический символ вольфрама). Эту технику можно использовать с присадочным металлом или без него. В отличие от методов с расходуемым электродом, где присадочный металл переносится через дугу, он вводится отдельно от стержня или проволоки и расплавляется под действием тепла дуги.
Высокая температура плавления вольфрама, 3410 градусов по Цельсию (6170 градусов по Фаренгейту), делает его превосходным материалом для электродов. Стандартные защитные газы состоят из гелия, аргона или комбинации этих газовых компонентов. Практически любой металл в широком диапазоне толщин заготовки может быть обработан с помощью GTAW. Его также можно применять для соединения различных комбинаций сплавов, которые не являются одинаковыми. Нержавеющая сталь и алюминий — материалы, с которыми он используется чаще всего.
GTAW сложно сваривать чугун, кованое железо и, естественно, вольфрам. За исключением ситуаций, связанных с небольшими секциями и необходимостью получения чрезвычайно высококачественных сварных швов, GTAW часто работает медленнее и дороже, чем методы AW одноразовыми электродами при сварке стали. Присадочный металл обычно не используется при сварке TIG тонких листов с жесткими допусками. Для всех типов соединений процедура может проводиться вручную, механически или автоматически. При правильном выполнении GTAW может производить высококачественные сварные швы практически без сварочных брызг, поскольку присадочный металл не проходит через дугу и практически не требует очистки после сварки, поскольку не используется флюс.
Плазменно-дуговая сварка (PAW)
Плазменно-дуговая сварка (PAW) — усовершенствованный вариант газовой вольфрамовой дуговой сварки (GTAW), при которой на зону сварки направляется суженная плазменная дуга. При PAW вольфрамовый электрод заключен в специально разработанное сопло, которое направляет высокоскоростной поток инертного газа, такого как аргон или смеси аргона с водородом, в область дуги для создания интенсивно горячего потока плазменной дуги. Газы, используемые для дуговой защиты, включают аргон, аргон-водород и гелий. Плазменная дуговая сварка может достигать температуры до 17,000 30,000 ° C (XNUMX XNUMX ° F) или выше, что достаточно для плавления любого известного металла. Высокие температуры в PAW, значительно более высокие, чем в GTAW, обусловлены сужением дуги. Несмотря на использование более низких уровней мощности, чем GTAW, PAW позволяет получить высококонцентрированную плазменную струю небольшого диаметра и высокой плотности мощности.
После разработки в 1960-х годах плазменная сварка постепенно набирала популярность. Однако в последнее время ее использование в качестве замены GTAW возросло в ряде областей применения, включая бытовую технику, металлические шкафы, дверные и оконные рамы и автомобильные узлы. Для сварки большинства металлов толщиной от 0.02 до 6 мм (от 0.001 до 0.250 дюйма) метод плазменной сварки (PAW) обеспечивает чрезвычайно стабильный источник тепла. Метод PAW обеспечивает более высокую энтальпию (содержание тепла), лучшую стабильность дуги, более высокую концентрацию энергии и более высокие скорости сварки (чем при GTAW) благодаря его превосходной проплавляемости. Эти преимущества ставят его впереди других методов сварки открытой дугой, включая SMAW, GMAW и GTAW. Он также создает более глубокое проплавление соединения и более мелкие валики (большее отношение глубины к ширине) в режиме «замочной скважины», что приводит к меньшим искажениям.
Технология PAW допускает возможность трех основных вариантов сварки. Этими разновидностями дуг являются режимы игольчатой, плавящейся и замочной скважины. Сварка игольчатой дугой особенно полезна для сварки тонких металлов (от 0.02 до 1.5 мм [от 0.001 до 0.062 дюйма]). Она получила свое название от длинной, «игольчатой» дуги, которая создается при низких токах (от 1 до 25 А). Этот диапазон толщин ручной сварки является значительным изменением по сравнению с более ранними технологиями процесса GTAW, которые требовали точного роботизированного перемещения горелки с тем же приспособлением. Тем не менее, сварной шов, полученный любым из этих методов, гладкий и лишенный присадочного металла.
Сильноточная ручная PAW выполняется в режиме расплавления. Этот метод подходит для сварки стыковых или нахлесточных соединений материалов толщиной от 0.8 до 3 мм (от 1/32 до 1/8 дюйма) и может использоваться для соединения различных материалов, включая титан и другие реактивные металлы, с использованием гелия в качестве защитного газа. Обычно рабочий ток не превышает 100 А. Режим «замочной скважины» относится к проникающему отверстию на передней кромке сварочной ванны, которое затем протекает за замочной скважиной, образуя сварной шов. Этот метод применим к большинству металлов в диапазоне толщин от 2.4 до 6 мм (от 3/32 до 1/4 дюйма) и является ключевым отличием между процессами PAW и GTAW. Рабочий ток для режима замочной скважины обычно достигает 275 ампер.
Однако сварка свинца, магния, бронзы и чугуна является сложной задачей для PAW. Двумя другими недостатками, которые могут затруднить доступ в некоторых конфигурациях соединений, являются высокая стоимость оборудования и больший размер горелки, чем при других методах дуговой сварки.
Другая дуговая сварка и родственные процессы
Помимо стандартных методов дуговой сварки (AW), существует несколько заслуживающих внимания специальных процедур. Угольно-дуговая сварка (CAW) — это один из методов, в котором используется неплавящийся угольный электрод, в частности графит. Хотя CAW исторически важен как первоначальный метод дуговой сварки, его текущая коммерческая ценность незначительна. Тем не менее, он по-прежнему используется в качестве источника тепла для пайки, ремонта чугунного литья и нанесения на поверхности устойчивых к износу составов. Вольфрамовые электроды, которые используются в таких процедурах, как газовая вольфрамовая дуговая сварка (GTAW) и плазменно-дуговая сварка (PAW), постепенно вытеснили графитовые электроды при сварке.
Приварка шпилек (SW) — это еще одна специализированная процедура AW, используемая для приварки шпилек или аналогичных компонентов к базовым деталям. На рисунке ниже показан типичный режим работы SW, где экранирование достигается за счет использования керамического наконечника. Сначала шпилька вставляется в специализированный сварочный пистолет, который регулирует мощность и время выполнения шагов по мере их автоматического отображения в последовательности. Рабочему просто нужно нажать на спусковой крючок после правильного выравнивания пистолета по базовой рабочей части, к которой будет прикреплена шпилька. Применение SW включает в себя ребра теплоотвода на оборудовании, резьбовые крепления для крепления ручек к кухонной посуде и аналогичные сценарии сборки. Приварка шпилек обычно имеет преимущества перед креплениями, сваренными вручную дуговой сваркой, просверленными и нарезанными отверстиями и заклепками в высокопроизводительных процессах.
Референсы
Грувер, член парламента, 2010. Основы современного производства: материалы, процессы и системы. 4-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, Inc.
